تم حل لغز فيزيائي عمره 140 عامًا: تأثير هول للضوء باستخدام موضوع ما

تصف دراسة جديدة نُشرت في مجلة Nature، وهي نتيجة تعاون بحثي بقيادة شركة IBM، إنجازًا كبيرًا. يتيح الحل تطوير مواد أشباه الموصلات الجديدة والمحسنة

بواسطة Oki Gunawan عضو فريق IBM Reaserch

تعد أشباه الموصلات حجر الزاوية في العصر الرقمي والإلكتروني اليوم. فهي توفر لنا كميات هائلة من الأجهزة المفيدة في حياتنا الحديثة، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية وغيرها من الأجهزة المحمولة. تعمل التحسينات في وظائف وأداء أشباه الموصلات على تمكين تطبيقات الجيل التالي لأغراض الحوسبة والاستشعار وتخزين الطاقة. وعلى الرغم من ذلك، ظل الباحثون لسنوات عديدة يعانون من عدم القدرة على فهم كيف أن الشحنات الإلكترونية الموجودة في أجهزة أشباه الموصلات والمواد الموجودة في الأنواع المتقدمة من أشباه الموصلات تحد من قدرتنا على تحقيق المزيد من التقدم.

تصف دراسة جديدة نشرت في مجلة Nature، نتيجة تعاون بقيادة شركة IBM، اختراقًا مثيرًا في مشكلة أزعجت عالم الفيزياء لمدة 140 عامًا. يتيح لنا الحل إطلاق العنان للخصائص الفيزيائية لأشباه الموصلات بمزيد من التفاصيل والمساعدة في تطوير مواد أشباه الموصلات الجديدة والمحسنة.

لكي نفهم حقًا فيزياء أشباه الموصلات، يجب علينا أولاً أن نعرف الخصائص الأساسية لحاملات الشحنة في المواد المختلفة، ومعرفة ما إذا كانت هذه الجسيمات موجبة أم سالبة، وما هي سرعتها في مجال كهربائي معين، وما هي كثافتها. موجود في مادة معينة وقد وجد الفيزيائي إدوين هول (هال) عام 1897 طريقة لتحديد هذه الخصائص عندما اكتشف أن المجال المغناطيسي يحرف حركة الشحنات الإلكترونية في مادة موصلة وأنه يمكن قياس درجة الانحراف كجهد عمودي على تيار الشحنة، كما هو موضح في الرسم البياني 1أ.. الجهد، المعروف باسم جهد هول، يزيل الغموض عن المعلومات الأساسية حول حاملات الشحنة في أشباه الموصلات، بما في ذلك ما إذا كانت إلكترونات سالبة أو موجبة أو شبه جسيمات تسمى "الثقوب"؟ ما هي سرعة حركتها في المجال الكهربائي أو "حركتها" (μ) وما هي كثافتها (n) في شبه الموصل؟

سر عمره 140 عاما

بعد عقود من اكتشاف هول، أدرك الباحثون أنهم يستطيعون أيضًا قياس تأثير هول بالضوء. التجارب التي أجروها كانت تسمى تجارب ضوء هول وتظهر في الشكل 1ب.. في هذه التجارب، تولد الإضاءة بالضوء في أشباه الموصلات عددًا كبيرًا من حاملات الشحنة أو أزواج من "الثقوب". لسوء الحظ، فإن فهم تأثير هول الأساسي لم يقدم سوى نظرة ثاقبة حول حاملات الشحنة الإيجابية (التي تشكل غالبية الحاملات). ولم يتمكن الباحثون من فهم خصائص كلا الناقلين في نفس الوقت. تعتبر هذه المعلومات ضرورية للعديد من التطبيقات التي تتضمن الضوء مثل الخلايا الشمسية والأجهزة الإلكترونية الضوئية الأخرى.

تشرح دراسة IBM البحثية المنشورة في مجلة Nature أحد أكبر ألغاز تأثير هول. اكتشف باحثون من المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST)، ومعهد الأبحاث الكوري للتكنولوجيا الكيميائية (KRICT)، وجامعة ديوك وشركة IBM صيغة وتقنية جديدة تسمح لنا باستنفاد المعلومات المتعلقة بالأغلبية والأقلية في وقت واحد الحاملات، مثل الكثافة وخصائص التنقل، وتولد أيضًا رؤى إضافية حول عمر الحاملات، وطول الانتشار وعملية الارتباط (إعادة التركيب).

بمزيد من التفاصيل، في تجربة هول مع الضوء، يساهم الحاملان في التغيرات في التوصيل (σ) ومعامل هول ((H، يتناسب مع نسبة جهد هول إلى المجال المغناطيسي. الفكرة الرئيسية تأتي من القياس التوصيل ومعامل هول كدالة لشدة الضوء منحنى التوصيل - معامل هول (σ- H) المخفي في مسار التوصيل يكشف معلومات جديدة: الفرق في حركة الناقلتين وتلخص الدراسة هذه العلاقات بأناقة على النحو التالي: Δμ = d (σ²H)/dσ

عندما تكون كثافة الموجة الحاملة للأغلبية معروفة من قياس هول التقليدي في الظلام، يمكننا حل كل من حركيات وكثافات الموجات الحاملة للأغلبية والأقلية كدالة لشدة الضوء. أطلق الفريق على التقنية الجديدة اسم "قياس قاعة الصور ذات الدقة الحاملة (CRPH)". عندما تكون شدة الإضاءة معروفة، يمكن حساب عمر الموجة الحاملة بطريقة مماثلة. وقد ظلت هذه العلاقات والحلول المرتبطة بها مخفية لما يقرب من 150 عامًا منذ اكتشاف تأثير هول.

إلى جانب التقدم المحرز في الفهم النظري، يعد التقدم في التقنيات التجريبية أمرًا بالغ الأهمية أيضًا لتمكين التقنية الجديدة. تتطلب هذه التقنية قياسًا نظيفًا لإشارة Hall، وهي مهمة صعبة في المواد التي تكون إشارة Hall فيها ضعيفة (على سبيل المثال بسبب انخفاض القدرة على الحركة) أو في حالة وجود إشارات إضافية غير مرغوب فيها كما هو الحال في ظروف الإضاءة القوية. ولهذا توجد طريقة لإجراء قياس هول باستخدام مجال مغناطيسي متذبذب (AC). كما هو الحال مع الاستماع إلى الراديو، يجب تحديد تردد المحطة المرغوبة مع رفض جميع الترددات الأخرى التي تشكل ضوضاء. تأخذنا تقنية CRPH خطوة أخرى إلى الأمام ولا تختار التردد المطلوب فحسب، بل تختار أيضًا مرحلة المجال المغناطيسي المتذبذب في تقنية تسمى "الكشف عن القفل". لقد كان مفهوم قياس قاعة التيار المتردد معروفًا منذ فترة طويلة، لكن التقنية التقليدية التي تستخدم نظام الملف الكهرومغناطيسي لتوليد مجال مغناطيسي متردد كانت غير فعالة.

اكتشاف ينذر بما سيأتي

وكما يحدث غالبًا في عالم العلوم، فإن الاكتشافات في مجال ما تحفز التقدم في مجال آخر. في عام 2015، أفادت أبحاث آي بي إم عن ظاهرة فيزيائية لم تكن معروفة سابقًا وهي تأثير حبس المجال المغناطيسي، وكانت هذه الظاهرة تسمى "تأثير سنام الجمل". ويحدث ذلك بين خطين متقاطعين من ثنائيات القطب عندما يتجاوزان الطول الحرج، كما هو موضح في الشكل 2أ. يعد هذا التأثير ميزة رئيسية تمكن من إنشاء نوع جديد من المصيدة المغناطيسية الطبيعية تسمى خط ثنائي القطب المتوازي (PDL) كما هو موضح في الشكل 2 ب. يمكن استخدام المصيدة المغناطيسية PDL كمنصة جديدة لتطبيقات الاستشعار المختلفة مثل مقياس الميل وجهاز قياس الزلازل (حساس الزلازل).

يتم فحص هذه الأنظمة وغيرها من أنظمة الاستشعار الجديدة بواسطة فريق أبحاث IBM الذي يقوم بتطوير منصة لتحليلات البيانات الضخمة تسمى خدمة مستودع IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS)
من المثير للدهشة أن نفس مكون PDL له تطبيق فريد آخر عند تدويره، فهو بمثابة النظام المثالي لتجربة Hall في الضوء لتحقيق تذبذب قوي وأحادي الاتجاه ونقي متناغم في المجال المغناطيسي (الرسم البياني c2). والأهم من ذلك، أن النظام يوفر مساحة كبيرة لإضاءة مساحة كبيرة أعلى العينة، وهو أمر بالغ الأهمية لتجربة ضوء القاعة.

النتائج

تسمح لنا تقنية Hall light المطورة حاليًا باستخراج كمية مذهلة من المعلومات من أشباه الموصلات. بالمقارنة مع ثلاثة معلمات فقط تم إنتاجها في قياس هول الكلاسيكي، تنتج التقنية الجديدة ما يصل إلى سبعة معلمات عند كل شدة ضوء تم اختبارها. وتشمل هذه المعلمات حركة الإلكترون والثقب؛ كثافة حاملتها تحت الضوء؛ عمر مجموعة هيرا؛ وأطوال انتشار الإلكترونات والثقوب والنوع القطبي. كل هذه يمكن تكرارها N مرات (أي العديد من درجات شدة الضوء المستخدمة في التجربة).

سيساعدنا الاكتشاف والتكنولوجيا الجديدة على تعزيز ابتكارات أشباه الموصلات القائمة على التقنيات الحالية والمتطورة. لدينا الآن المعرفة والأدوات اللازمة لفهم الخصائص الفيزيائية للمواد شبه الموصلة بمزيد من التفصيل. على سبيل المثال، يمكننا الآن تسريع عملية تطوير الجيل التالي من تكنولوجيا أشباه الموصلات مثل الخلايا الشمسية المحسنة، والأجهزة الإلكترونية الضوئية الأفضل، والمواد والأجهزة الجديدة لتكنولوجيا الذكاء الاصطناعي.

مصادر:
[1] أو. جوناوان وآخرون، تأثير قاعة الصور التي تم حلها بواسطة الناقل، طبيعة (2019).
[2] EH Hall، حول تأثير المغناطيس الجديد على التيارات الكهربائية، أ. جي الرياضيات. 2، 287 (1879).
[3] "اكتشاف تأثير جديد في الكهرومغناطيسية – بعد مرور 150 عامًا”، مدونة أبحاث IBM، (2017)؛ والمراجع فيها.

أوكي جوناوان
عضو فريق أبحاث IBM